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P. F. C 20 13
D es ar ro llo d e Pl an ta P ro du ct or a de A zu le jo s Ce rá m ic os . Ja vi er L at or re M ol in a
(23.037.893-N)INDICE:
1.- OBJETIVO DEL PROYECTO
2.- DESCRIPCIÓN DE LAS PIEZAS CERÁMICAS Y SU MERCADO 2.1.- Definición del producto.
2.2.- Definición del mercado.
3.- ESTUDIO DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN ESTANDAR 3.1- Preparación de las materias primas.
3.2.- Conformación y secado en crudo de la pieza 3.3.- Cocción o cocciones, con o sin esmaltado 3.4.- Tratamientos adicionales
3.5..- Clasificación y embalaje 4.- ESTUDIO Y CONDICIONES DE CALIDAD
5.- PROPOSICIÓN DE UNA PLANTA EN CONDICIONES REALES.
5.1.- Definir la producción (tipo y cantidad).
5.1.1.- Layout del sistema productivo. Opciones.
5.2.- Edificio (soluciones y disposición) I.- Cimentación
II.- Estructura
III.- Cubierta y cerramiento
IV. Instalación de Agua y Saneamiento V. Instalación eléctrica
VI. Calidad del aire interior
5.3- Maquinaria necesaria (justificación y posibilidades) 5.3.1.- Silos
5.3.2.- Horno(s) y sistema de enfriamiento/secado 5.3.3.- Cintas transportadoras
5.3.4.- Sistema de extrusión 5.3.5.- Sistema de prensado
5.3.6.- Sistema de embalaje-transporte
5.4.- Estudio energético.
5.4.1.- Condiciones energéticas básicas 5.4.1.1.- HORNO 5.4.1.2.- SECADERO
5.4.1.3.- INTERCAMBIADOR DE CALOR 5.4.1.4.- COMPRESOR
5.4.1.5.- VENTILADOR Y CALENTADOR DE AIRE 5.4.2.- Condiciones medioambientales de la planta.
5.4.3.- Impacto medio ambiental del sector cerámico
5.5.- Estudio económico y tiempo de construcción.
6.- Bibliografía y Anexos.
Este trabajo va dedicado a mi familia, y en especial en este momento tan difícil...
1.- OBJETIVO DEL PROYECTO
Con el fin de completar la titulación de ingeniería mecánica, donde se estudian tanto los distintos sistemas estructurales, sistemas mecánicos, tipos de instalaciones, sistemas térmicos, etc.. se va a realizar un estudio lo más completo posible de una planta industrial de producción de azulejos, desde el estudio previo de la misma hasta la ingeniería de detalle, haciendo previamente un desarrollo del sistema estándar de producción y aplicándolo posteriormente a una solución real, y siendo capaz de definir el complejo por completo (nave industrial e instalaciones).
El objetivo de éste proyecto es plasmar en un documento final todos los conocimientos obtenidos durante la carrera aplicados a un caso lo más real posible, y así tras esta experiencia directa con un caso real estar lo mejor preparado posible para los casos que nos aguardan en la vida laboral que tras acabar este estudio universitario nos espera.
2.- DESCRIPCIÓN DE LAS PIEZAS CERÁMICAS Y SU MERCADO.
2.1.- Definición del producto.
Al igual que en los conocimientos aprendidos en la carrera, será necesario definir en primer lugar el material con el que vamos a trabajar, y con ello que condiciones químicas y mecánicas el material tiene, y seguidamente el uso del material manufacturado además de en qué condiciones de calidad nos hemos de fijar para tener un producto de primera calidad.
Según la definición que podemos encontrar en la enciclopedia universal, la cerámica (palabra derivada del griego keramikos, que significa "sustancia quemada") es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción del calor transformarlos en recipientes de terracota, loza o porcelana. Y, genéricamente es también el nombre de estos objetos.
El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre material.
Una vez definido con que material vamos a trabajar y en qué condiciones estándar ese material se define, ahora vamos a definir químicamente la materia prima del producto:
Los materiales cerámicos son compuestos químicos inorgánicos o soluciones complejas, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí principalmente mediante enlaces de tipo iónico y/o covalente. Sus aplicaciones son la alfarería, la construcción, la manufactura de utensilios de cocina, e incluso dispositivos eléctricos...
Esta gran versatilidad de aplicaciones se deben a que poseen propiedades muy características que no pueden ser obtenidas con ningún otro material.
Son compuestos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos, que tienen una estructura cristalina característica.
Un gran número de materiales cerámicos poseen estructuras típicas como la estructura del NaCl, de blenda (ZnS) y de fluorita (CaF2). Sin embargo la mayoría de los cerámicos tienen estructuras cristalinas más complicadas y variadas. Entre estas estructuras podríamos destacar las más importantes como son:
Estructura perovskita (CaTiO3). Ejemplo: BaTiO3, en la cual los iones de bario y oxigeno forman una celda unidad cúbica centrada en las caras con los iones bario en los vértices de la celda unidad, y los iones oxido en el centro de las caras, el ión titanio se situará en el centro de la celda unidad coordinado a seis iones oxigeno.
Estructura del corindón (Al2O3). Es similar a una estructura hexagonal compacta; sin embargo, a cada celda unidad están asociados 12 iones de metal y 18 de oxigeno.
Estructura de espinela (MgAl2O4). Donde los iones oxigeno forman un retículo cúbico centrado en las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones tetraédricas u octaédricas dependiendo del tipo de espinela en particular. Y también Estructura de grafito. Tiene una estructura hexagonal compacta.
PROPIEDADES PRINCIPALES 1.- PROPIEDADES MECÁNICAS:
Son duros y a la misma vez frágiles, a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente, este hecho supone una gran limitación en su número de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones.
Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes de grano.
2.- PROPIEDADES MAGNÉTICAS
No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar algunas cerámicas con propiedades magnéticas como ferritas y granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferri-magnéticas. En estas cerámicas los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta.
3.- PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia dieléctrica y baja constate dieléctrica. Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como la polarización.
4.- PROPIEDADES TÉRMICAS
La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este factor son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como materiales refractarios, y utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.
Conocidas las características básicas del material, se va a definir el producto a desarrollar:
Los azulejos o baldosas cerámicas son piezas planas de poco espesor fabricadas con arcillas, sílice, fundentes, colorantes y otras materias primas.
Podemos destacar cómo características principales de las piezas cerámicas son:
Los pavimentos y revestimientos cerámicos son piezas impermeables constituidas por un soporte de naturaleza arcillosa, con o sin un recubrimiento esencialmente vítreo: el esmalte cerámico. Las materias primas que lo forman provienen de la tierra que, junto al agua y el fuego de cocción, componen un producto natural y de alta calidad. Gracias a la utilización de estos materiales y el alto desarrollo tecnológico, hoy día existe una amplia oferta de productos cerámicos que ofrecen muchas ventajas. Y todo ello, sólo con la utilización de tres elementos
Generalmente se utilizan como
Pavimento interior de viviendas.
Pavimento exterior (terrazas).
Pavimentos de locales públicos (hospitales, escuelas, etc.) Pavimentos diversos (piscinas, suelos industriales...)
Revestimiento interior de viviendas (cocinas, baños, etc.).
Revestimiento exterior (terrazas) Revestimientos diversos
Pavimentos
Revestimientos
Características generales de un
azulejo
Buena adherencia.
Las caras laterales y posterior han de estar exentas de esmalte.
Las caras deben ser perfectamente planas.
Las aristas vivas.
Debe fracturarse con facilidad.
básicos del medio ambiente: la tierra o la arcilla, el agua y el fuego.
La cerámica se caracteriza por su alta facilidad de limpieza, su capacidad de preservación de la suciedad y de cualquier tipo de contaminación.
La limpieza se realiza con facilidad simplemente con un paño húmedo y, si la superficie presenta suciedad o grasa, se pueden añadir agentes de limpieza como detergentes o lejías. La naturaleza de la superficie cerámica evita cualquier fenómeno de adherencia, y las grasas se pueden eliminar con gran facilidad. Gracias a ello, hoy en día se ha generalizado su uso en los baños, cocinas, hospitales, laboratorios, piscinas, instalaciones industriales…, donde su uso evita la generación de suciedad y olores.
Por otro lado, su capacidad de aislante eléctrico, repercute en que los recubrimientos cerámicos eviten la captación del polvo ambiental eléctricamente activo y, con ello contribuyen al bienestar.
La capacidad del recubrimiento cerámico de prevenir la humedad, evita el desarrollo de colonias de gérmenes y hongos, que se generan con facilidad en construcciones donde la permeabilización es deficiente.
La acción de estos organismos sobre algunos recubrimientos no cerámicos es progresiva y pueden ocasionar manchas en su superficie y deterioro de su interior. Por otra parte, por razones higiénicas, siempre hay que evitarse que estos agentes prosperen.
Por ello también se ha extendido su utilización en donde el uso del agua es continuado como en baños, cocinas, instalaciones industriales, laboratorios, piscinas, fachadas...
Los recubrimientos cerámicos no necesitan ningún mantenimiento después de su puesta en obra, excepto las normales operaciones de limpieza. Su resistencia a los cambios bruscos de temperatura, a los agentes químicos y biológicos, su dureza, resistencia al rozamiento…, repercute en su gran durabilidad en las edificaciones. Una nueva instalación de azulejos puede permanecer intocable en cualquier lugar. Por ello se ha proliferado su utilización en todos los lugares, destacando en las fachadas, en los espacios públicos, centros comerciales, paseos y avenidas… También su incombustibilidad evita la propagación de incendios.
Su carácter inerte, es decir, que repele cualquier posibilidad de vida biológica, evita la degradación del medio ambiente, pues el barro o la arcilla, una vez pasada la fase de cocción, adquiere la misma propiedad que la piedra o elementos de la naturaleza similares.
2.2.- Definición del mercado.
Una vez definido el producto, podemos hacer un pequeño análisis del mercado donde se va a desarrollar nuestra actividad empresarial.
En las empresas españolas tienen que competir con la entrada de nuevos suministradores en el mercado, con independencia de países y zonas, haciendo caso omiso a las fronteras (al igual que ocurre en otros sectores manufactureros). Para poder sobrevivir en el mercado tiene que
2952 2882
3301 3435 3448
3300 3392
3548 3623 3876
2955
2105 1950 1892 1730
34 39 38 47 60 75 87 96 123 157 85 83 40 65 55
1497 1591
1872 1988 2059 1939 1978 2041 2183 2295 2036
1510
1710 1827 1463 1542 1675
1834 1940 1999
1864 1891 1945 2061 2138 1985
1201 1190 1120 1110 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
PRINCIPALES MAGNITUDES ECONÓMICAS DEL SECTOR DEL AZULEJO
Producción Importación Exportación Balanza comercial
cambiar de una actividad basada en los recursos dirigida por la industria, a una actividad basada en el conocimiento, dirigida por el mercado. No significa centrarse únicamente en el diseño, sino poder dominar también todo el proceso y el ciclo de vida del producto. Se debe añadir valor a cada fase, a pesar de la incomodidad y tensiones que supone toda adaptación a nuevos cambios.
Estamos en una etapa de profundas transformaciones, estructurales que fundamentalmente afectan a la industria en general. La industria de la baldosa cerámica (azulejos y pavimentos) no es la excepción. Por un lado la industria de la baldosa cerámica ha tenido que enfrentarse a la invasión de productos de los países asiáticos en su propio mercado y por otro esos mismos productos dificultan la penetración en nuevos mercados.
En la nueva situación caracterizada por la apertura de los mercados, las empresas que producen bienes en los que la mano de obra es una parte sustancial del coste de producción tienen que decidir si subcontratan a otras empresas o no, toda o parte de la producción o utilizan un suministrador local. Todo ello con el objeto de servir al cliente al mejor precio, diseño y calidad posibles.
El avance de la productividad es comparativamente menor en España, lo que explica que la productividad/costes crezca en nuestro país a un ritmo muy inferior al de los países de nuestro
entorno. La industria española necesita adaptarse y alcanzar un aumento de la productividad para ser más competitiva, aplicando para conseguirlo ajustes estructurales, tales como:
reducción de impuestos empresariales o facilitando a las empresas nuevos métodos productivos o a través de negociaciones entre las organizaciones empresariales y representantes de los trabajadores y/o gubernamentales, todo ello con el objetivo de alcanzar un acuerdo que permita elevar la tasa de productividad, manteniendo el beneficio empresarial sin recortar el bienestar alcanzado de los trabajadores. Hay que valorar negativamente el crecimiento de los costes laborales en España, que es superior al de la mayoría de los países de la Unión Europea. En los últimos cinco años, el coste medio/horario creció en España a un promedio anual del 4,4%, frente al 2,8% en la zona euro y el 3,2% en el conjunto de la Unión europea. Estas circunstancias, que vienen produciéndose en los últimos años agravan el deterioro de la competitividad exterior de las industrias y en definitiva de la economía española.
Tras el estancamiento económico de 2001, el incremento de la construcción de viviendas en España en el período comprendido entre los años 2003 y 2006, favoreció el consumo de baldosas cerámicas y el consumo aparente alcanzó un valor máximo en términos históricos. En 2007 el consumo se redujo en 155,93 millones de m/2, sin embargo su valor alcanzó un importe de 2.027,81 millones de euros, lo que supone un aumento de 465,53 millones de euros.
La contracción de la demanda interna no ha beneficiado sin duda al sector, pero este hecho no ha tenido como consecuencia que diera la espalda al mercado exterior, por el contrario, los datos ponen de manifiesto un lento pero progresivo avance en su posicionamiento en un mercado internacional cada vez más globalizado y competitivo.
En la actualidad con la gran crisis económica que afecta a nuestro país, y especialmente afecta al sector de la construcción, se ve que en los 4 últimos años han sido de unas bajadas grandísimas en el sector, lo que produce pérdidas millonarias.
Esas pérdidas, que no solo son de ámbito nacional sino de toda la unión europea, han impulsado a los productores a buscar otras opciones de expansión en otros mercados, sobre todo en nuevas economías en plena expansión como son países de América latina y la zona asiática, y otras economías que pese a la crisis generalizada se han mantenido como es el caso de USA, la cual es promotora de muchas de las grandes infraestructuras que, por ejemplo en Brasil, Perú o Bolivia, se están llevando a cabo.
Las ventas al exterior del sector a cierre de 2011 alcanzaron los 1.892,1 millones de euros, un 8,3% más que el año anterior, tras una grandísima recesión por la caída de la construcción. La facturación global de esta industria alcanzó los 2.570 millones de euros, de los cuales, el 70%
se destinó al exterior, a un total de 182 países.
Por zonas geográficas, sigue siendo la Unión Europea el mercado natural del sector y el principal destino para la industria azulejera española. La UE representa el 41% de las
exportaciones, aunque el crecimiento sigue siendo muy débil, alcanzando únicamente el 1,6%
en 2011.
Oriente Próximo se consolida como el segundo destino de las ventas al exterior con un peso del 20,3% del total de las exportaciones y un notable crecimiento del 21% en 2011. Y también destacan las ventas a la Europa del Este que, con un crecimiento del 16%, suponen ya el 12,4%
de las exportaciones totales.
Hay que matizar, que a pesar de la crisis europea, en la exportación por países, Francia encabeza el ranking de países receptores con 241 millones de euros y un crecimiento del 8 %.
Le siguen Rusia con 126,5 millones, con un incremento cercano al 20%; Arabia Saudí con 122,6 millones y un 22% más; Reino Unido con 93 millones y un ligero retroceso del 2% y Alemania que alcanzó los 82,1 millones y registró un avance del casi el 9 %.
En el futuro, el sector gracias a los avances en la impresión digital, hoy en día se realizan en el sector piezas casi idénticas a estos materiales, con la ventaja de la mayor durabilidad del azulejo. El cemento de la serie Basilea o la pizarra de Namibia, ambos de Grespania*; el mármol de la serie Carrara de Keraben* y el aspecto metálico de Glasgow de Porcelanosa*, son algunos ejemplos.
*Los nombres marcados con este símbolo son las empresas que tienen un mayor índice de I+D+I del mercado nacional.
http://www.interiorsfromspain.com/icex/cda/controller/pageGen/0,3346,1559872_5596519_5849850_4574417_0,00.html
3.- ESTUDIO DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN ESTANDAR
Tal y como se ha hecho al principio del primer capítulo, vamos a definir lo que es un sistema estándar de producción, y a continuación describiéremos el sistema de producción de nuestro producto en cuestión.
Un sistema de producción, según la enciclopedia universal, es aquel sistema que proporciona una estructura que agiliza la descripción, ejecución y el planteamiento de un proceso industrial. Estos sistemas son los responsables de la producción de bienes y servicios en las organizaciones. Los administradores de operaciones toman decisiones que se relacionan con la función de operaciones y los sistemas de transformación que se emplean. De la misma manera los sistemas de producción tienen la capacidad de involucrar las actividades y tareas diarias de adquisición y consumo de recursos. Estos son sistemas que utilizan los gerentes de primera línea dada la relevancia que tienen como factor de decisión empresarial. El análisis de este sistema permite familiarizarse de una forma más eficiente con las condiciones en que se encuentra la empresa en referencia al sistema productivo que se emplea.
En nuestro caso, la producción son piezas cerámicas, las cuales se fabrican a partir de arcillas de distintas calidades y colores, siendo una producción continua y completamente estándar en el catálogo de productos, por lo tanto nuestra producción será un Sistemas continuo de producción.
Dicho sistema tiene un flujo continuo son aquellos en los que las instalaciones se uniforman en cuanto a las rutas y los flujos en virtud de que los insumos son homogéneos, en consecuencia puede adoptarse un conjunto homogéneo de procesos y de secuencia de procesos. Cuando la demanda se refiere a un volumen grande de un productos estandarizado, las líneas de producción están diseñadas para producir artículos en masa. La producción a gran escala de artículos estándar es características de estos sistemas.
La materia prima serán las arcillas utilizadas en la composición del soporte pueden ser de cocción roja o bien de cocción blanca. Los azulejos, tanto de pavimento como de revestimiento de paredes, son piezas cerámicas impermeables que están constituidas normalmente por un soporte arcilloso y un recubrimiento vítreo: el esmalte cerámico.
Usando la definición podemos razonar el hecho de la arcilla usada será necesario tratarla y cocerla, y posteriormente tratarla superficialmente, y dependiendo de su uso, habrá distintos tipos de acabados y de formas.
La fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos ha experimentado cambios considerables y continuos en los últimos años. Los revestimientos cerámicos son normalmente porosos, lo que favorece la adherencia a la pared o al suelo. En cambio los pavimentos poseen una porosidad baja, inferior al 3% frente a la absorción de agua, con lo que se consiguen mejores características técnicas, que a diferencia de los adobes y los ladrillos no hace falta apenas humedecerlos previamente a su colocación debido a esa baja absorción de agua.
Tradicionalmente el azulejo ha sido fabricado siguiendo métodos diferentes y mediante un proceso prácticamente manual.
El proceso de fabricación de baldosas cerámicas se desarrolla en una serie de etapas sucesivas, que pueden resumirse del modo siguiente:
A. Preparación de las materias primas.
B. Conformación y secado en crudo de la pieza C. Cocción o cocciones, con o sin esmaltado D. Tratamientos adicionales
E. Clasificación y embalaje
Dependiendo de que el producto a fabricar sea esmaltado o no, de que éste se fabrique por un procedimiento de mono-cocción, bi-cocción o tercer fuego, en un determinado proceso se realizará o no el esmaltado, o se modificará la secuencia de las etapas de esmaltado y de cocción en la forma adecuada.
Definimos cómo proceso de bi-cocción al que la pasta prensada se quema para formar el bizcocho y, posteriormente se aplica el esmalte sobre éste y se cuece nuevamente para dar el acabado final.
Y definimos Proceso de mono-cocción al que el esmalte se aplica directamente sobre la pasta prensada y cruda, ambas se queman simultáneamente para dar el acabado final.
El estudio de las distintas etapas son:
3.1.- Preparación de las materias primas (A).
El proceso cerámico comienza con la selección de las materias primas que deben formar parte de la composición de la pasta, que son fundamentalmente arcillas, feldespatos, arenas, carbonatos y caolines. El hecho de elegir la materia prima deberá hacerse atendiendo no sólo a sus propiedades físico-químicas, además de su comportamiento en las sucesivas etapas del proceso.
En la industria cerámica tradicional las materias primas se suelen utilizar, por lo general, tal y como se extraen de la mina o cantera o después de someterlas a un mínimo tratamiento (simplemente eliminar otros materiales que no sean las arcillas que necesitamos, así como la vegetación que pudiera haber).
Su procedencia natural exige, en la mayoría de los casos, una homogeneización previa que asegure la continuidad de sus características, tanto en propiedades físicas cómo en tamaño y textura.
Material Uso Diario (tn) Uso Mensual (tn)
Feldespato 0.4 12
Caolín 0.2 6
Fritas** 1.2 42
Arcilla esquisto 12 360
Arcilla Roja 20 600
Arena 0.4 12
TOTAL 38 1140
Las partículas de la Arcilla tienen unas dimensiones comprendidas entre 0,002 y 0,0001 mm.
de diámetro y proceden de la descomposición de rocas de Feldespato procedentes en la mayoría de casos de la cantera antes comentada, y tiene la propiedad de que, puesta en contacto con agua, se hincha, pudiendo absorber hasta 200 veces su peso en agua.
Se caracteriza por adquirir plasticidad1 al ser mezclada con agua*, y también tixotropía3 además de dureza2 al calentarla por encima de 800 °C.
La arena a usar es el conjunto de partículas pequeñas de rocas que se acumulan en las orillas del mar o de los ríos, que se usan para elaborar morteros y hormigones, en este caso para la creación de la pasta-base de las baldosas, sirviendo como elemento de compactación de las partes las coqueras intermedias de aglomerante y aglomerado.
La arena se utiliza por su extraordinaria dureza y alto punto de fusión4.
Y por último tenemos el caolín que es una arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de porcelanas, en este caso es la arcilla que le da dureza a la pasta y junto con los carbonatos dan la dureza ya que en la forma maciza como caliza, como mineral metamórfico en forma de mármol y es a menudo el cemento natural de las piedras areniscas.
Además necesitamos agua para preparación de pastas y esmaltes, además de la preparación de la pieza para la posterior aplicación de esmaltes.
El agua da a la mezcla la fluidez para tener una homogeneidad y facilidad de trabajo, necesarias para que la partida de producto sea lo establecido en las condiciones iníciales del mismo.
Para éste uso el agua debe cumplir con los siguientes criterios:
Ausencia de material flotante, disuelto y de espumas.
Ausencia de grasas y aceites que formen película visible.
Ausencia de sustancias que produzcan olor o coloren el agua.
La arcilla extraída de la mina se almacena en grandes patios adyacentes a la planta, donde se adiciona agua y en algunas ocasiones algunos agentes químicos que promueven su humectación y plastificación, dejándola en reposo durante varios días a fin de que adquiera la consistencia apropiada para realizar el moldeo.
Una vez conocidas las materias primas, es necesario pesarlas adecuadamente de tal modo que siempre se cumplan los estándares establecidos y de manera que la calidad del producto sea consistente. Por lo tanto, es esencial el uso de balanzas de precisión y que no haya fallos en la rutina de pesado, cómo estimación en la tabla de este apartado se ve reflejado el peso de cada elemento por toneladas.
LA DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA
Antes de proceder a la fase conformación, es precisa una trituración para lograr la máxima compactación de la arcilla. Cuando el tamaño de todos los granos es semejante, entonces el volumen aparente que ocupa el conjunto es muy grande. Aunque si al contrario existe una cantidad de granos finos, el volumen aparente es menor y la superficie específica aumenta.
Los procesos cerámicos requieren una distribución granulométrica en la que la densidad de empaquetamiento sea máxima.
La figura representa la curva de distribución granulométrica que proporciona la mayor compacidad5. Una regla fácil que evita el trazado de toda curva consiste en lograr que la relación entre el porcentaje retenido por el tamiz mitad (2,5 mm) y décima parte (0,5 mm) se aproximadamente 70% / 30%.
Una distribución granulométrica inadecuada supondrá una cantidad mínima de contacto entre las partículas durante la cocción lo que con frecuencia conduce a serios problemas durante el secado, ya que al producirse la evaporación del agua se generan espacios vacíos que generan grietas, tal y como se ve en la gráfica donde a mayor evaporación tenemos un % porcentaje mayor de probabilidades de que las grietas se produzcan en zonas críticas de la pieza.
La presencia de fisuras6 superficiales en los materiales tiene su origen en la incorrecta distribución granulométrica de las partículas, ya que una partícula de gran tamaño no queda recubierta por el líquido produciendo una discontinuidad en la pieza.
Con frecuencia se atribuye este defecto a la falta de plasticidad de la pasta, aunque esto sólo es cierto en parte. Estos defectos superficiales se suelen solventar modificando la distribución granulométrica de la pasta. Una práctica común consiste en aplicar árido desgrasante sólo en la periferia de la torta de arcilla al salir de la extrusora: “arenado”. De esta forma de consigue toda una gama de textura y colores sin mermar las propiedades plásticas del resto de la masa.
(1) Plasticidad: Propiedad mecánica de un material, biológico o de otro tipo, de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico.
(2) Dureza: Dificultad que oponen los cuerpos a ser rayados definidos en la Escala de Mohs. La dureza se mide con unos instrumentos llamados durómetros y existen diferentes escalas de dureza Brinell, Rockwell, Vickers, etc…
(3) Tixotropía: La tixotropía se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas tixotrópicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido. Si, a
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
En la gráfica se ve que la posibilidad de rotura aumenta cuando hay una perdida alta de agua rápidamente.
continuación, se las deja en reposo recuperan la cohesión, así como el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este especial comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. Por el contrario, en torno a su límite plástico no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico.
(http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/Arcillas.htm#aplicacc / 16/Febrero/2010)
(*) Capacidad de absorción: La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato). La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorción con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso.
(4) Punto de fusión es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólido - líquido, es decir la materia pasa de estado sólido a estado líquido, se funde. Cabe destacar que el cambio de fase ocurre a temperatura constante. El punto de fusión es una propiedad intensiva. En la mayoría de las sustancias, el punto de fusión y de congelación, son iguales. A diferencia del punto de ebullición, el punto de fusión de una sustancia es poco afectado por la presión y, por lo tanto, pueden ser utilizado para caracterizar compuestos orgánicos y para comprobar su pureza.
(5) Compacidad es Calidad de compacto de un material. Un material es más compacto cuanto menor porosidad existe en su interior.
(6) La Fisura, en el concepto de la Mecánica de fractura es una rama de la mecánica de sólidos deformables ocupada del estudio de la estabilidad estructural de materiales, considerando la formación y propagación de grietas o defectos en materiales y analizando condiciones tensionales con la concentración de tensiones debida a dichos defectos.
Utiliza métodos analíticos derivados de otras ramas de la mecánica y la ciencia de materiales para estudiar los mecanismos que formación y propagación de defectos, y métodos experimentales relativos a la mecánica de sólidos para determinar las resistencias relativas del material a la fractura.
En materiales dúctiles e incluso en materiales que parecen frágiles,4 en el extremo de toda fisura se desarrolla una zona de plastificación. Cuando la carga aplicad aumenta, la zona plástica crece en tamaño hasta que la fisura progresa descargándose el material a ambos lados de la fisura ya progresada.
3.2.- Conformación y secado en crudo de la pieza (B)
Una vez realizada la primera mezcla de los distintos componentes de la pasta cerámica, ésta se somete por lo general a un proceso de molturación y homogeneización, que puede ser vía seca (molinos de martillos o pendulares) o vía húmeda (molinos de bolas continuos o discontinuos), lo que servirá para reducir aún más su tamaño y con ello la mezcla sea si cabe todavía más homogénea en tamaño y propiedades.
El material resultante de la molturación presenta unas características distintas si aquella se efectúa por vía seca o por vía húmeda.
En el primer caso se produce una fragmentación, manteniéndose tanto los agregados como los aglomerados de partículas, siendo el tamaño de partículas resultante (existen partículas mayores de 300 micras) superior al obtenido por vía húmeda (todas las partículas son menores de 200 micras). Al elegir el tipo de molturación a emplear, un factor decisivo lo constituye el coste de la inversión a realizar en cada caso, a menor tamaño más coste.
El proceso de amasado consiste en el mezclado intimo con agua de las materias primas de la composición de la pasta, con esto se consigue una masa plástica fácilmente moldeable por extrusión.
Dicho amasado se realiza en una amasadora industrial especial para las tortas de arcilla donde se produce la regularización del tamaño de salida de la arcilla, y un mejor grado de refinamiento, teniendo un rango de entre 8 a 20 Toneladas/hora en función de la capacidad de la cuba de amasado.
En la amasadora de arcilla generalmente se efectúa el precalentamiento de la arcilla con vapor a temperaturas entre 50 y 80ºC, en la cámara de vacío se reduce la cantidad de aire de la mezcla y las cintas delgadas y cordones de masa en parte se elimina el vapor de agua de, para lograr un volumen de aire en la masa de entre el 3 y el 5%, a fin de tener la mayor masa posible de torta de arcilla amasándose en la máquina y se oxide lo menos posible en contacto con el aire .
Posteriormente la masa se comprime en 2 etapas por acción de las hélices y es obligada a pasar a través del un cabezal y una boquilla con la forma de la pieza que queremos producir, con lo cual se eliminan algunos efectos plásticos perjudiciales en la masa, que pueden hacer que se deforme el perfil a la salida, es esta etapa es necesario lubricar la masa por lo que deberemos de suministrar aceite de lubricación de baja densidad dosificado en la segunda etapa de producción en la zona posterior a la primera mezcla con el fin de reducir la fricción entre la masa de arcilla y las paredes de la boquilla (0.3 l de aceite por cada 1000 piezas producidas).
En problema es que la irrigación con aceite lubricante retrasa relativamente el secado de las piezas, pero disminuye el agrietamiento de las mismas.
El proceso de atomización es un proceso de secado, por el cual una suspensión pulverizada en finas gotas, entra en contacto con aire caliente para producir un producto sólido de bajo contenido en agua. El contenido en humedad presente en la suspensión suele oscilar entorno a 0,30-0,45 kg. de agua / kg. de sólido seco, este contenido en agua tras el proceso de atomización se reduce a 0,05-0,07 kg. de agua / kg. de sólido seco.
El proceso de secado por atomización se desarrolla según una secuencia, que comprende las siguientes etapas:
1.- Bombeo y pulverización de la suspensión.
2.- Generación y alimentación de los gases calientes.
3.- Secado por contacto gas caliente-gota suspensión.
4.- Separación del polvo atomizado de los gases.
La homogeneidad del pulverizado y las altas velocidades de evaporación de humedad permiten una temperatura del producto menor que la del aire que sale de la cámara de secado. De este modo, el producto no se ve sometido a temperaturas altas y una vez separado
Entrada de Vapor Entrada de Masa de Arcilla + Sistema de cedazos de
regularización del tamaño del material
Entrada de Aceite de lubricación
del aire de secado no presenta degradación térmica. El principio básico que dice "evaporación produce enfriamiento" es muy adecuado a esta operación.
Máquina de moldeado
Después de almacenada, la arcilla es transportada a una máquina de moldeado que forma el bizcocho de arcilla.
Prensado en seco.
El procedimiento predominante de conformación de las piezas pieza es el prensado en seco (5- 7% de humedad), mediante el uso de prensas hidráulicas. Este procedimiento de formación de pieza opera por acción de una compresión mecánica de la pasta en el molde y representa uno de los procedimientos más económicos de la fabricación de productos cerámicos de geometría regular, como es nuestro caso, ya que la producción que buscamos será completamente regular geométricamente.
Tiene lugar al compactar polvos finamente granulados de materias primas con pequeñas cantidades de agua o pegamentos de origen orgánicos en un troquel.
Se procede a un calentamiento del material con el fin de que la pieza adquiera las fuerzas y micro-estructura deseadas, buscando que sea lo más regular posible respecto a composición.
El proceso es la llamada “Compactación isostática”, que consiste en:
i. Los polvos cerámicos se cargan en una matriz flexible (normalmente de caucho).
ii. La matriz se encuentra dentro de un fluido hidráulico al que se le aplica presión, con el fin de mejorar la compactación dándole fluidez y reduciendo fricción y calentamiento.
iii. Las fuerzas compactan el polvo de manera uniforme en todas las direcciones (60 a 80 Mpa).
iv. Se somete al calentamiento para obtener una micro-estructura estable y homogénea.
Flujo de entrada de masa conformada de arcilla
Flujo de salida de bizcocho de arcilla Prensa Hidráulica y motor de re-armado
Proceso de extrusión.
Básicamente el procedimiento de conformación de pieza por extrusión consiste en hacer pasar una columna de pasta, en estado plástico bastante compactada, a través de una matriz o un molde de salida que forma una pieza de sección constante, a fin de conseguir la forma deseada, tal y cómo se ve en el diagrama.
El sistema de “Compresión previo en caliente”, se caracteriza por:
i. Se obtienen piezas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas.
ii. Combinación de la presión (300 Mpa de presión) y los tratamientos térmicos (próximo a los 80ºC), proporciona buenos resultados en las piezas de salida al alcanzar las propiedades de partida.
iii. Utilización de presiones unidireccionales (en la dirección de extrusión) como isostáticas, de tal modo que el diagrama de esfuerzos se puede suponer lineal, siempre que la longitud de la pieza no sea excesiva.
Factor Valores típicos
Rendimiento unidades/hr 10000 – 15000
Potencia del motor kW 40 – 130
Peso ton 3.6 – 13.7
Gasto específico energía kW/(1000 unid – h) 15 – 26.5 Características típicas de extrusoras de arcilla
Es necesario conocer la interacción pasta/máquina para el funcionamiento del conjunto. Así para favorecer la salida de la pasta por el molde deben reunirse unos cuantos factores:
-La pasta debe ser plástica para que permita su deslizamiento. (Una pasta muy rígida giraría con la hélice sin comprimirse y una muy fluida llenaría las hélices pero no avanzaría).
-El rozamiento interno de la pasta ha de ser superior al del conjunto pasta-acero, para mejorar el trabajo de la máquina y evitar que haya un deslizamiento excesivo de la pasta.
Entrada de pasta plástica compactada
Embolo de compresión de la pasta Salida de Pasta extruida en matriz de
sección constante
Espacio interior del pistón de extrusión
De hecho la formación de la presión es consecuencia de dos parámetros que necesariamente se deben conciliar:
-La reología6 de la pasta. La viscosidad de la pasta es una fuerza pasiva y para conseguir el flujo ha de vencerse una resistencia.
-La geometría de salida de la extrusora. Es obvio que cuantos menos agujeros tenga el molde y de menor diámetro sean, mayor será la pérdida de carga, o más elevada deberá ser la presión de extrusión.
LA CONICIDAD DE LA BOCA
La regla básica aconseja que la máxima dimensión de la pieza no sobrepase el diámetro de la hélice extrusora. Pero por lo general cuando se adquiere una galletera, se pretende fabricar una serie de formatos de geometría variable. Esto supone que el fabricante de la extrusora facilite una boquilla estándar, parte superior de la figura. Sin embargo cuando, con la misma máquina se intenta fabricar formatos de dimensión inferior al diámetro de la hélice se producen unas zonas muertas en la boquilla que provoca un rozamiento no deseado. Si la situación se debe prolongar es preferible colocar una de estructura boquilla cónica.
(6) La reología es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir y encontrar las ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales. Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Algunas de la propiedades reológicas más importantes son:
Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte) Coeficientes de esfuerzos normales
Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio)
Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (comportamiento visco-elástico lineal) Funciones complejas de visco-elasticidad no lineal
Zona de máxima fricción de la pasta de arcilla.
En dichas zonas se produce la máxima temperatura y acumulo de material en la extrusión.
Velocidades de la pasta a lo largo de la boca de salida.
En la zona donde el cilindro tiene el mayor diámetro, la velocidad de la pasta es mucho menor que a la salida, donde el diámetro es menor y la velocidad de la misma aumenta.
- DEFECTOS EN LA EXTRUSION
Tras la extrusión, las diversas texturas de la pasta o defectos en la misma, pueden atribuirse a:
a. Insuficiente llenado de la zona del pistón y rotación de la barra (A).
b. Diferentes valores de la fricción en diversas zonas, lo que conlleva que no sea homogéneo y la pieza tenga distintos niveles de calidad en el acabado (B).
c. Diversas velocidades de salida que producen ondulaciones en las caras (C).
Si la operación de extrusión no se realiza adecuadamente, se pueden presentar un incremento significativo de costos por las fisuras que genera, tanto en el secado como en la cocción y aún luego de la cocción.
Una extrusión defectuosa se traduce en tensiones que muchas veces se ponen de manifiesto largo tiempo después del conformado.
Los resultados de la extrusión dependen de dos grupos de factores: de las materias primas y de su historia de elaboración en primer lugar y de la calidad de las maquinas de conformado/extrusión en segundo.
Como factor fundamental para evitar problemas en la extrusión, se debe asegurar su homogeneidad de composición (plasticidad), de humedad y de alimentación.
Secado de piezas conformadas.
En esa operación se busca transferir calor y reducir masa a las piezas moldeadas, para reducir su humedad, con las mínimas pérdidas y en los plazos más cortos que garanticen su integridad en las posteriores operaciones de calentamiento y cocción.
El secado de las arcillas y de las pastas cerámicas tiene una importancia considerable para la calidad del producto. Cuando una arcilla se seca, se presenta una contracción , la cual, si el secado es demasiado rápido y desigual puede dar lugar a la formación de grietas en el producto.
El porcentaje de humedad residual depende de las operaciones posteriores que han de realizarse en fases posteriores de la producción del producto. En los casos que el objeto es barnizado en crudo, deberá desecarse hasta un grado de humedad final de 0.2 a 1.0%, mientras que si se trata de cerámica ordinaria de construcción, conviene desecar el producto hasta que el porcentaje de humedad final quede por debajo del de la humedad higroscópica de la arcilla, lo cual ocurre aproximadamente a un 10%.
Si se deja mucho tiempo fuera del secadero a las piezas éstas volverán a absorber humedad del aire hasta lograr el equilibrio con la presión de vapor de agua del aire ambiente, este fenómeno resulta antieconómico, por lo cual si el objeto ha de ser secado hasta grados de humedad muy bajos, es preciso enviarlo de inmediato a cocción. De lo contrario se necesitará energía adicional para su desecado durante la cocción
La pieza cerámica una vez conformada se somete a una etapa de secado, con el fin de reducir el contenido en humedad de las piezas tras su conformado hasta niveles los suficientemente bajos (0,2-0,5 %), para que las fases de cocción y, en su caso, esmaltado se desarrollen adecuadamente. Secado y eliminación de aglutinante:
i. Es necesario eliminar el agua antes de someter el cuerpo a altas temperaturas (en el secadero que comentamos a continuación), dicha humedad se elimina calentando las piezas a 100ºC.
ii. Y los aglutinantes orgánicos se eliminan a partir de los 200ºC hasta los 300ºC.
En los secaderos que normalmente se utilizan en la industria cerámica, el calor se transmite mayoritariamente por convección, desde gases calientes a la superficie de la pieza, participando ligeramente el mecanismo de radiación desde dichos gases y desde las paredes del secadero a dicha superficie.
Por lo tanto, durante el secado de piezas cerámicas, tiene lugar simultánea y consecutivamente un desplazamiento de agua a través del sólido húmedo y a través del gas. El aire que se utiliza debe ser lo suficientemente seco y caliente, pues se utiliza, no sólo para eliminar el agua procedente del sólido sino también para suministrar la energía en forma de calor, que necesita esa agua para evaporarse.
Actualmente el secado de las piezas se realiza en secaderos verticales u horizontales.
Tipo Características
Natural
Al aire libre o bajo techo, los productos obtenidos son de calidad variable y no se puede controlar la humedad final de los mismos antes de la cocción, dado que ésta depende fundamentalmente de la humedad del ambiente.
Intermitente
El material se ubica en cámaras en las que se hace circular aire caliente, proveniente del horno de cocción, el control del proceso es deficiente, pero la calidad de los productos aumenta.
Continuo
Se realiza en túneles o cámaras con longitudes superiores a 40 m de longitud, anchuras de 1.15 a 1.40 m y alturas de hasta 2 m, donde el material circula en vagonetas. Se impulsa el aire caliente a temperaturas de hasta 150ºC, en sentido inverso al avance del material logrando así un aumento progresivo en la temperatura del material y una disminución en su contenido de humedad, facilitando el control de las condiciones del proceso. La duración del secado en tales condiciones está entre 121 y 48 horas, la temperatura de salida del aire es de 25 – 30ºC a una humedad relativa del 75 – 95%, la humedad final de la masa es de un 6 – 8%.
3.3.- Cocción o cocciones, con o sin esmaltado (C)
La cocción es tal vez la fase más importante del proceso de fabricación de una pieza cerámica siempre y cuando las etapas anteriores de preparación de materias primas, moldeo y secado se hayan hecho correctamente.
Una cocción eficiente y eficaz es aquella que evita todos los defectos que pudieran presentarse en la pieza, obteniendo así una pieza de buena calidad apta para el mercado. Para llegar a sacar el mejor provecho de una cocción, sin importar la técnica que estemos usando (bizcochado con una segunda cocción ó simplemente una mono-cocción) es necesario conocer las reacciones que tienen lugar en la pieza durante la cocción.
En los productos no esmaltados, tras la etapa de secado se realiza la cocción. Asimismo, en el caso de productos esmaltados fabricados por bi-cocción, tras el secado de las piezas en crudo se realiza la primera cocción.
La operación de cocción consiste en someter a las piezas a un ciclo térmico de cuatro etapas distintas, durante el cual tienen lugar una serie de reacciones en la pieza que provocan cambios en su micro-estructura y les confieren las propiedades físicas y químicas finales deseadas.
Durante las citadas etapas de cocción se descomponen sustancias para dar lugar a otras, este tipo de reacciones llamadas de descomposición son reacciones que absorben calor reacción endotérmica1; existen otras reacciones como las de oxidación y la que permiten la formación de otras fases cristalinas, las cuales emiten calor, Reacción exotérmica2.
La cocción de los productos cerámicos es una de las etapas más importantes del proceso de fabricación, ya que de ella dependen gran parte de las características del producto cerámico:
resistencia mecánica, estabilidad dimensional, resistencia a los agentes químicos, facilidad de limpieza, resistencia al fuego, etc.
Entrada del flujo de aire caliente al secadero
Válvula de entrada de aire + impulsor de aire
Entrada de piezas
Calentador de aire
Salida del flujo de aire del secadero (extractor de aire junto con Vapor de agua)
Carcasa del Secadero con cinta donde se colocan las Esquema de un Secadero
Industrial (horizontal)
Las variables fundamentales a considerar en la etapa de cocción son, el ciclo térmico y la atmósfera del horno, que deben adaptarse a cada composición y tecnología de fabricación, dependiendo del producto cerámico que se desee obtener, el producto se debe de precalentar, se ha de cocer y debe haber un enfriamiento progresivo tal y como se muestra en el gráfico.
Otras condiciones para una buena cocción son:
(1).- Uniformidad de la temperatura en el horno lo más perfecta posible, evitando el contacto directo de la llama con el producto cerámico, ya que la perdida tan rápida del agua de la pieza producirá una fragilidad excesiva de la pieza e incluso fisuras en la superficie, y en el caso de que la exposición sea muy prolongada, incluso quemado/perdida de color del material.
(2).- Control de la curva de cocción (véase gráfico superior) incluso durante el calentamiento y enfriamiento, ya que pueden presentarse tensiones que produzcan roturas.
(3).- Atmósfera del horno controlada, de tal manera que la curva de cocción deberá de establecerse en función de las características de los materiales atendiendo a su forma.
500ºC al 13 %
1000ºC al 38 %
1230ºC al 47 % 1200ºC al 55 %
600ºC al 67 %
300ºC al 100 % 500ºC al 80 %
Inicio de la cocción.
Pieza precalentada
Pieza calentada, sin llegar al punto max.
Pieza caliente, llegada al punto max.
Proceso de enfriamiento progresivo de la pieza, hasta llegar a los 300 ºC
El calentamiento llegada al punto
Explicando someramente el diagrama podemos decir que durante esta fase se produce un conjunto de reacciones y transformaciones después de las cuales se pierde irreversiblemente la plasticidad de la masa y se forma el cuerpo cerámico con su estructura y sus características definitivas.
Este proceso se realiza en cuatro fases que son:
1. Precalentamiento de la arcilla hasta unos 190ºC produciéndose la desecación y eliminación del agua unida físicamente a la arcilla, especialmente del amasado (lo que en la gráfica es el área de color rosa).
2. Calentamiento posterior hasta 500-700ºC, en el cual se da la eliminación del agua ligada químicamente a la arcilla, es decir de su composición interna. La temperatura en este estadio dependerá del espesor de la pieza.
3. Cochura que se da entre 980-1000ºC y 1200ºC (zonas naranja y roja).
4. Temple donde existe un enfriamiento lento de los productos cocidos hasta unos 500ºC y enfriamiento rápido desde 500 hasta 50ºC por medios artificiales de enfriamiento.
Esta división del proceso en fases no puede revelar la naturaleza de las reacciones que tienen lugar en la pasta durante la cocción, no obstante, se pueden señalar siete tipos principales de reacciones que se desarrollan en la cocción de las arcillas comunes, a saber:
1. Desprendimiento de sustancias volátiles 2. Oxidación de impurezas orgánicas
3. Desprendimiento del agua de constitución 4. Reacciones en fase sólida
5. Reacciones en fase líquida
6. Formación de nuevas fases cristalinas 7. Des-carbonización y desulfuración
El primer grupo de reacciones se caracteriza por el efecto endotérmico, lo que da lugar a la formación de vapor de agua, cuya presión puede destrozar el producto, en caso de un rápido incremento en la temperatura, dada la pérdida de agua y el aumento en la porosidad de la masa, se produce un descenso en la conductividad térmica de la arcilla.
El segundo grupo de reacciones (oxidación de impurezas orgánicas), es de carácter exotérmico que se producen entre los 300 – 400ºC, donde una parte de dichas impurezas puede no llegar a quemarse, si la temperatura se incrementa rápidamente y la afluencia y difusión de oxígeno en el grosor del objeto es insuficiente, lo que puede observarse en el color oscuro del núcleo de la torta de la arcilla cocida cuando esta sufre una fractura. Si la combustión es lenta, puede producirse la grafitización de una parte del carbono. Simultáneamente, puede producirse la
deposición en la arcilla de carbono procedente del medio gaseoso que contiene 1 – 3% de CO a 400º y a más de 1000º.
La velocidad de combustión se eleva a medida que aumenta la temperatura, pero solo hasta la aparición de la fase líquida en la arcilla cocida, después de lo cual la velocidad disminuye momentáneamente a causa del empeoramiento de la difusión del oxígeno del aire. El valor máximo de la velocidad de combustión tiene lugar, aproximadamente a los 800ºC. Por ello se recomienda mantener dicha etapa de cocción durante algún tiempo, hasta que se estabilice la reacción.
El tercer grupo de reacciones o deshidratación de minerales arcillosos, se caracteriza por el efecto endotérmico, el cual se extiende desde 500 hasta 700º, y en algunas arcillas caolínicas hasta 900ºC, acompañado asimismo de una reducción de la conductividad térmica.
La duración de la cocción se encuentra relacionada con el tipo de pieza a producir y con las velocidades de deshidratación y de formación de fases en las arcillas. La práctica muestra que el ladrillo normal puede cocerse en 7 – 8 horas y el bloque hueco en 6 – 6.5 horas sin tener en cuenta el tiempo de enfriamiento.
(1) Se denomina reacción endotérmica a cualquier reacción química que absorbe energía. Si hablamos en términos de balance energético, es decir entalpía (H), una reacción endotérmica es aquélla que tiene un incremento de entalpía o H positivo. Es decir, la energía que poseen los productos es mayor a la de los reactivos.
(2) Se denominareacción exotérmicaa cualquierreacción químicaque desprendaenergía, ya sea como luz o comocalor,o lo que es lo mismo: con unavariación negativa de la entalpía; es decir: - H. El prefijoexosignifica «hacia fuera». Por lo tanto se entiende que las reacciones exotérmicas liberan energía. Considerando queA, B, CyDrepresenten sustancias genéricas, el esquema general de una reacción exotérmica se puede escribir de la manera siguiente: A + B C + D + calor
Ocurre principalmente en lasreacciones de oxidación. Cuando éstas son intensas pueden generarfuego. Si dos átomos dehidrógenoreaccionan entre sí e integran una molécula, el proceso es exotérmico.
Entrada de piezas al horno en bandeja deslizante
Horno eléctrico formado por tubos con un ventilador que homogeneíza la Tº en el interior de la cámara de
cocido, la cual está fuertemente aislada.
Esquema de un horno Industrial (horizontal)
Principales tipo de hornos
Tipo Características
Fuego dormido
Horno de construcción artesanal de bajo rendimiento y calidad de las piezas, se emplea principalmente en la elaboración de ladrillo. Presenta algunas variaciones en su construcción que aumentan ligeramente la eficiencia, a la vez que reducen las emisiones.
Llama invertida
Hornos cerrados de construcción generalmente circular y dotados de una bóveda que impide la salida directa de los gases de combustión hacia la atmósfera. El aire recircula hacia abajo por acción del tiro de la chimenea lo que permite la obtención de temperaturas elevadas.
Hoffman
Horno dotado de galerías paralelas, donde el aire circula de las zonas de cocción hacia las de precalentamiento, no permite la obtención de materiales vitrificados, pues no logra temperaturas elevadas.
Túnel
Aquí el material se desplaza en vagones o rodillos a través de una galería. Los productos se desplazan de zonas de baja temperatura hacia zonas delata temperatura, siguiendo los termo- gramas necesarios para cada tipo de pasta optimizando así la calidad de los productos. El aire circula en sentido contrario, generando economías de combustible en las etapas de precalentamiento y secado. Presenta diversas variantes que reducen aun más los consumos de combustible y mejoran el control térmico.
En el caso que nos ocupa tenemos un horno de aire circulante de carga por vagoneta
Especialmente para la desaglomerado de construcciones pesadas y/o la carga fuera del horno, se recomiendan los hornos de carga por vagoneta. Los hornos estándar ya logran una distribución de la temperatura particularmente buena hasta T 14 K.
La instalación es capaz de trabajar a temperaturas de 650 °C o 850 °C con tamaños especiales de cámara de horno hasta más de 20 m³, usando una vagoneta totalmente desplazable con rodillos de teflón. La carga se calentará por tres lados, los dos laterales y la vagoneta, junto con circulación vertical de aire con ventiladores en el techo del horno, además de una regulación por varias zonas para la optimización de la distribución de la temperatura hasta T 6 K según la norma DIN 17052.
El sistema irá equipado con una caja de atmósfera para el funcionamiento con gas de protección con sistema de aire adicional y de aire de escape, y puerta de elevación electro- hidráulica además de un control de la tapa del aire de escape para un rápido enfriamiento cómo sistema de refrigeración.
El aire de los ventiladores se calienta al circular entre el material cocido y alcanza la zona de cocción, recuperando así el calor; en la zona de cocción el aire se mezcla con los productos de
combustión y, en parte, sirve de aire de combustión. Además, las paredes, en la zona de enfriamiento, presentan unos intersticios por los que circula el aire frío. Parte del aire caliente se recupera en los secaderos.
Para graduar el enfriamiento y tener la posibilidad de modificar la curva de cocción, en la zona descendiente se tiene el aire de enfriamiento directo, que ha pasado desde la entrada por las vagonetas que van a salir del horno y circula en sentido contrario, y una acción de enfriamiento indirecto obtenido haciendo pasar parte de este aire por los canales situados entre dos paredes del horno.
Las vagonetas están constituidas por una parte metálica inferior, con ruedas, que sostiene una capa de material aislante y refractario; la parte superior del refractario, que sostiene el material que se cuece, tiene espacios a través de los cuales pasan las llamas y productos de combustión. Las vagonetas forman un diafragma horizontal que aísla del calor todo lo que está situado por debajo y en particular las partes metálicas de la vagoneta.
Con objeto de conseguir un aislamiento sea lo más perfecto posible, los bordes de la vagoneta están prolongados y tienen una forma curva, de modo que estos lados curvos están colocados en dos canales laterales rellenos de arena. Las vagonetas circulan por la acción de un mecanismo de empuje, generalmente hidráulico, que permite el empuje en ambos sentidos. El proceso suele estar comprendido entre 40 y 90 minutos.
Fritas**: Naturaleza, ventajas, composición y fabricación.
Las fritas son compuestos vítreos, insolubles en agua, que se obtienen por fusión a temperatura elevada (1500ºC) y posterior enfriamiento rápido de mezclas predeterminadas de materias primas. La gran mayoría de los esmaltes que se utilizan en la fabricación industrial de pavimentos y revestimientos cerámicos tienen una parte fritada en mayor o menor proporción en su composición, pudiéndose tratar en algunos casos de una sola frita o de mezclas de diferentes tipos de fritas.
La utilización de fritas presenta los siguientes ciertas ventajas frente al empleo de materias primas sin fritar, para una composición química dada:
Insolubilización de algunos elementos químicos.
Disminución de la toxicidad, el material vítreo obtenido, por su tamaño y estructura, tiene menor tendencia a la formación de polvo ambiental que las materias primas de las que proviene, disminuyendo de esta forma el peligro asociado a su toxicidad.
Ampliación del intervalo de temperaturas de trabajo del esmalte, debido a que no poseen puntos definidos de fusión.
El proceso de fabricación de fritas, comúnmente llamado fritado, tiene como objetivo la obtención de un material vítreo insoluble en agua, mediante fusión y posterior enfriamiento de mezclas diferentes materiales.
Enfriamiento de las Piezas.
El régimen de enfriamiento de los productos depende fundamentalmente de sus dimensiones, ya que la conductividad térmica a temperaturas próximas a los 900º es prácticamente la misma para las distintas arcillas. El descenso de la temperatura hasta750º puede efectuarse paulatinamente (pero no más de 150ºC por hora) debido a la transición de la fase vítrea viscosa a la sólida y a la aparición de tensiones peligrosas.
Después de los 750º y hasta los 500ºC puede producirse una demora a causa de la peligrosidad de las tensiones térmicas, relacionadas con el efecto del cuarzo. A continuación, la velocidad de enfriamiento puede ser muy alta. Para algunas arcillas la duración total de la cocción y el enfriamiento puede llegar a 7-8h para el ladrillo macizo y a 5-6 h para los bloques. La principal
dificultad para la realización de estas velocidades es el diseño de los hornos y la baja calidad de los refractarios.
Esmaltes: Preparación y aplicación. Decoración.
El proceso de preparación de los esmaltes consiste normalmente en someter a la frita y aditivos a una fase de molienda, en molino de bolas de alúmina, hasta obtener un rechazo prefijado. A continuación se ajustan las condiciones de la suspensión acuosa cuyas características dependen del método de aplicación que se vaya a utilizar.
El esmaltado de las piezas cerámicas se realiza en continuo y los métodos de aplicación más usuales en la fabricación de estos productos cerámicos son: En cortina, por pulverización, en seco o las decoraciones.
La serigrafía es la técnica mayoritariamente utilizada para la decoración de baldosas cerámicas, debido a su facilidad de aplicación en las líneas de esmaltado. Esta técnica se utiliza tanto en mono-cocción como en bi-cocción y tercer fuego, y consiste en la consecución de un determinado diseño que se reproduce por aplicación de una o varias pantallas superpuestas (telas tensadas de una luz de malla determinada).
Estas pantallas presentan la totalidad de su superficie cerrada por un producto endurecedor, dejando libre de paso únicamente el dibujo que se va a reproducir. Al pasar sobre la pantalla un elemento que ejerce presión (rasqueta), se obliga a la pasta serigráfica a atravesarla, quedando la impresión sobre la pieza.
3.4.- Tratamientos adicionales (D)
Una vez realizada la etapa de esmaltado y decoración de las piezas se introducen en un horno para su cocción en ciclos más o menos rápido y temperaturas altas según el tipo de productos a fabricar. Las temperaturas máximas dependen del tipo de producto que se desee conseguir.
El esmalte cerámico y la decoración dan a los azulejos su belleza y las características técnicas superficiales deseadas. En el caso de los revestimientos cerámicos la impermeabilidad, resistencia a los detergentes, etc., y en el caso de los pavimentos cerámicos su resistencia a la abrasión, resistencia a los ácidos, resistencia al rayado, etc.
La tecnificación, la exigencia del control de proceso, el cuidadoso diseño adecuado para las necesidades de cada ambiente y el esmero en la clasificación, dan como resultado un producto de características homogéneas y de acuerdo con las exigencias de uso.
Es necesario realizar una operación de pulido superficial de las piezas cocidas con lo que se obtienen baldosas homogéneas brillantes no esmaltadas, según lo establecido en la norma ISO 13006 y UNE 67-087, que es la que regula el gres porcelánico, que está comprendido dentro de grupo 'BIa' (Baldosas cerámicas prensadas en seco con absorción de agua < 0,5% ) de dichas normas.
